DE3633804C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine synthetische Zwei-Schwingkreis-Prüfschaltung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Zum Hauptanwendungsbereich der Erfindung gehört die syntheti­ sche Prüfung von Mittelspannungs-Leistungschaltern mit sehr niedriger Lichtbogenspannung, wie sie besonders Vakuum-Lei­ stungsschalter aufweisen.

Synthetische Prüfschaltungen mit den Merkmalen des Oberbe­ griffs des Patentanspruchs 1 sind durch verschiedene Druck­ schriften bekannt geworden. Eine synthetische Zwei-Schwing­ kreis-Prüfschaltung mit Subtraktion der Ströme im Hilfsschal­ ter und dementsprechend Reihenschaltung des Prüflings mit dem Hochstrom- und Hochspannungs-Schwingkreis in der letzten Prüfphase ist unter dem Titel: "Zwei-Schwingkreisschaltung zur Prüfung des Ausschaltvermögens von Hochspannungs-Lei­ stungsschaltern" in der Druckschrift "Elektritschestwo", Nr. 6, 1951, beschrieben.

Über eine synthetische Zwei-Schwingkreis-Prüfschaltung mit Addition der Ströme im Prüfschalter und dementsprechend Parallelschaltung von Hochstrom- und Hochspannungs-Schwing­ kreis bezüglich dieses Schalters existiert eine Veröffentli­ chung durch die Druckschrift:IEEE Transaction on Power Apparatus and Systems, Vol PAS-104, No. 1, January 1985, Seiten 166/7. Mit den vorstehend angeführten synthetischen Zwei-Schwing­ kreis Prüfschaltungen lassen sich praktisch nur sinusförmige Prüfströme erzeugen. Im Netzbetrieb kommen jedoch auch asymmetrische Kurzschlußströme vor. Dabei ist dem symmetri­ schen sinusförmigen Kurzschlußstrom in Abhängigkeit vom Kurz­ schlußaugenblick relativ zur Netzspannung ein Gleichstromglied überlagert; es klingt exponentiell mit einer Zeitkonstante ab, die je nach Netzkonfiguration Werte von 25 bis etwa 120 ms annehmen kann. Für die Typprüfung von Hochspannungs-Lei­ stungsschaltern ist gemäß VDE-Bestimmung VDE 0670, Teil 102/2.82 ein Wert von 45 ms genormt. Damit ergibt sich in Abhängigkeit von der Öff­ nungszeit des zu prüfenden Schalters ein bestimmter Wert des Gleichstroms bei der Kontrakttrennung. Eine zur Nullinie asymmetrisch verlagerte Sinus-Strom-Teil­ schwingung läßt sich zwar in einem Schwingkreis behelfsmäßig durch eine einhüllende Sinus-Strom-Halbschwingung mit entspre­ chend vergrößerten Werten von Stromscheitel und Halbschwin­ gungsdauer nachbilden, doch sind damit folgende Nachteile verbunden:

• a) die vergrößerte sinusförmige Strom-Halbschwingung als Einhüllende ergibt mit der Lichtbogenspannung eine grö­ ßere Lichtbogenenergie; insbesondere aber geht dabei der Strom mit einer erheblich größeren Steilheit gegen Null; daraus resultiert eine erhebliche Überbeanspruchung des Prüflings,
• b) wenn der zu prüfende Schalter auf diese Überbeanspru­ chung mit einem Löschversagen reagiert, folgt eine zweite etwa gleich große symmetrische Strom-Halbschwin­ gung nach und der Prüfling kann durch diese weitere Überbeanspruchung endgültig versagen. Demgegenüber bewirkt im Hochspannungsnetz das Gleichstromglied, daß auf die große asymmetrische Strom-Halbschwingung eine kleine nachfolgt und dem Schalter die Kurzschlußstrom­ unterbrechung erleichtert.

In der zuletzt genannten Druckschrift ist ein Verfahren beschrieben, durch Entladung eines an den Hochstromschwing­ kreis anschaltbaren Kondensators einen durch einen ohmschen Widerstand auf einen kleinen Wert begrenzten Strom gleich­ bleibender Polarität als Lichtbogenstrom in der geöffneten Schaltstrecke des zu prüfenden Schalters bis zum Einschalten des Hochstromschwingkreises und Beginn des sinusförmigen Stromes fließen zu lassen. Dieses Verfahren ist jedoch wegen der unnatürlichen Lichtbogen-Vorbeanspruchung der Schaltstrecke des Prüflings durch den Vorstrom prinzipiell nicht geeignet, das Ausschaltvermögen sowohl bei einem symmetrischen als auch bei einem unsymmetrischen Kurzschluß-Ausschaltstrom (falls die Möglichkeit, das induktive Gleichstromglied darin nachzubilden, schon bekannt gewesen wäre) insgesamt so wirktlichkeitsgetreu zu prüfen, wie dies in einem Hochstrom-Prüfkreis mit einem Wechselstromgenerator möglich ist. Insbesondere ein nach Größe und zeitlichem Verlauf kor­ rekt nachgebildetes Gleichstromglied würde die Schaltstrecke des Prüflings durch den Lichtbogen stark vorbelasten, bevor noch darin der sinusförmige Strom des Hochstromschwingkreises zu fließen beginnt. Durch diese netzfremde Vorbeanspruchung wäre der durch den Prüfling ausschaltbare Strom erheblich kleiner als sein Ausschaltvermögen unter wirklichkeitsgetreuen Prüfbedingungen.

Hinzu kommt, daß es unwirtschaftlich wäre, den Strom gleicher Polarität so lange fließen zu lassen, wie nach dem Stand der Technik angegeben. Wegen der Dämpfung müßte dann das Gleich­ stromglied mit einem erheblich größeren Wert einsetzen als er zur Nachbildung des unsymmetrischen Kurzschluß-Ausschaltstro­ mes im Augenblick der Kontakttrennung benötigt wird, und der Kondensator müßte auf einen entsprechend höheren Spannungs­ wert aufgeladen werden.

Außerdem würde das Beherrschen der mit dem Quadrat des Stromes ansteigenden Stromkräfte einen erheblichen konstruktiven Aufwand erfordern.

Es ist Aufgabe der Erfindung, in einer synthetischen Zwei- Schwingkreis-Prüfschaltung im Hochstrom-Schwingkreis mit Hil­ fe eines an sich bekannten zusätzlichen Stromkreises ein Gleich­ stromglied bestimmter Größe und bestimmten zeitlichen Verlaufes zu erzeugen. Dieser Stromkreis soll dem Hochstromschwing­ kreis in einem solchen Zeitintervall zugeschaltet werden, daß durch die Überlagerung mit dem sinusförmigen Strom des Hochstromschwingkreises nicht nur eine netzgetreue Nachbil­ dung des unsymmetrischen Kurzschlußstroms entsteht, sondern dabei auch eine thermische und elektrodynamische Überbean­ spruchung von Prüfstromkreis und darin zu prüfendem Schal­ ter vermieden wird.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die im kennzeich­ nenden Teil des Patentanspruchs 1 angeführten Merkmale. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind durch die Merkmale der Unteransprüche definiert.

Die Erfindung bietet den Vorteil, synthetische Zwei-Schwing­ kreis-Prüfschaltungen auch für die beweisende Prüfung des Ausschaltvermögens von Leistungsschaltern bei auszuschalten­ den unsymmetrischen Kurzschlußströmen verwenden zu können, was besonders wirtschaftlich ist.

Dank der Erfindung lassen sich auch die Mittel zur Erzeugung, Fortleitung und Zuschaltung des Gleichstromgliedes an den Hochstromschwingkreis besonders wirtschaftlich bemessen.

Die Erfindung wird anhand von zwei Ausführungsbeispielen erläutert.

In den folgenden Figuren ist dargestellt:

Fig. 1 Elektrischer Schaltplan der synthetischen Zwei- Schwingkreis-Prüfschaltung mit einem zusätzlichen Stromkreis zur gesteuerten Gleichstromglied-Überlagerung,

Fig. 2 Zeitlicher Verlauf von Strom und Spannung bei Addition der Ströme im zu prüfenden Schalter,

Fig. 3 Zeitlicher Verlauf von Strom und Spannung bei Subtraktion der Ströme im Hilfsschalter.

Bei dem ersten Ausführungsbeispiel handelt es sich um eine synthetische Zwei-Schwingkreis-Prüfschaltung, deren Hochspan­ nungsschwingkreis 7 in Fig. 1 so zugeschaltet wird, daß sich im Schalter 6 die Ströme addieren. Es liegt dann eine synthe­ tische Prüfschaltung nach dem Prinzip der gesteuerten Strom­ überlagerung vor, bei der Hochstrom- und Hochspannungs-Schwing­ kreis 1, 7 bezüglich des Prüflings parallelgeschaltet sind.

Die Kapazität 2 mit eingezeichneter Anschlußklemme sei durch ein nicht dargestelltes Ladegerät auf eine Spannung von etwa 500 V aufgeladen worden, unter der Berücksichtigung der Gegeben­ heit, daß die Lichtbogenspannung des zu prüfenden Vakuumschal­ ters mit diffusem Schaltlichtbogen etwa 50 V nicht übersteigt. Außerdem liegt damit eine entsprechend bemessene Induktivität 3 in Reihe.

Nun wird durch das Steuergerät SG1 die Schaltstrecke 4 geschlos­ sen. Der nachfolgende sinusförmige Strom i, Fig. 2, ist gleich dem zu prüfenden Nenn-Kurzschlußausschaltstrom des Prüflings 6. Hilfsschalter 5 und Prüfling 6 erhalten über das Steuergerät SG3 das Ausschaltkommando zeitlich so, daß die Trennung ihrer Kontakte im Bereich der abnehmenden ersten Sinus-Schwingung des Stroms bei etwa 40% des Scheitelwertes erfolgt. Die Kapa­ zität 15 steht aufgeladen bereit für die Zuschaltung an den Hochstromschwingkreis. Der Wert des vorgeschalteten ohmschen Widerstands 16 errecht sich bei vorgegebener Kondensatorspannung aus der Bedingung, daß das Gleichstromglied entgegengesetzt gleich dem Momentanwert des Schwingkreisstroms im Zeitpunkt der Kontakttrennung sein soll. Mit dem so erhaltenen Wider­ standswert ergibt sich der Kapazitätswert aus dem gewählten Wert für die Zeitkonstante des Gleichstromglieds und der ein­ fachen Beziehung zwischen ihr und dem Produkt aus Widerstand und Kapazität. Das so bemessene Widerstands-Kapazitätsglied 15, 16 wird von der durch das Steuergerät SG2 im Zeitpunkt der Kontakttrennung ausgelösten Schaltstrecke 14 zugeschaltet.

Wie der Stromverlauf in der Fig. 2 zeigt, bewirkt das Zuschal­ ten des Gleichstromglieds i_g eine sprunghafte Verlagerung des sinusförmigen Stroms i im Hochstromschwingkreis 1; und zwar setzt bei der Kontakttrennung des Prüflings 6 eine große asym­ metrische Strom-Teilschwingung mit etwa 40% Gleichstromglied, i₆ = i + i_g, ein. Dies entspricht einer minimalen Ausschalt­ eigenzeit des Prüflings von 30 ms, die heute für den Betrieb von Mittelspannungs-Vakuumschaltern schon genannt wird. Kurz vor Nullwerden des asymmetrischen Ausschaltstroms läßt das von dem Stromwandler 17 gespeiste Steuergerät SG4 die Schaltstrecke 10 im Hochspannungsschwingkreis 7 schließen; seine Kapazität 8 ist über die eingezeichnete Anschlußklemme bereits aufgeladen worden und der einsetzende durch die Induktivität 9 mitbestimmte Hochspannungsschwingstrom i_s überlagert sich dem asymmetri­ schen Ausschaltstrom i₆ in der Schaltstrecke des Prüflings 6.

Wie in der Fig. 2 ersichtlich, erreicht der asymmetrische Strom die Nullinie noch vor dem überlagerten Schwingstrom. Zu diesem Zeitpunkt wird im Hilfsschalter 5 der Strom i₅ = i₆ unterbrochen. Dadurch ist der Prüfling 6 vom Hochstromschwing­ kreis getrennt. Seine weitere Prüfung spielt sich allein im Hochspannungsschwingkreis 7 ab. Darin geht der Schwingstrom i_s mit einer Steilheit gegen Null, die gleich groß ist wie die Steilheit des asymmetrischen Stroms i₆ in seinem Nulldurchgang. Nach dem Nullwerden des Hochspannungsschwingstroms schwingt im Hochspannungsschwingkreis die Spannung u auf die nicht mehr dargestellte stationäre Spannung ein. In einem Hochspannungs­ netz mit isoliertem Sternpunkt und für den erstlöschenden Schalterpol ist dies der 1,5fache Wert der Leiter-Erd-Spannung.

Die Fig. 2 zeigt auch diese durch die Kapazität 11 und den ohmschen Wi­ derstand 12 mitbeeinflußte Einschwingspannung bei gedehnter Zeitskala. Hinzuzufügen ist noch, daß die Dämpfung der Ströme vernachlässigt werden konnte.

Anhand des zweiten Ausführungsbeispiels wird die Funktion ei­ ner synthetischen Zwei-Schwingkreis-Prüfschaltung erläutert, deren optisch unveränderter Hochspannungsschwingkreis 7 bei ebenfalls optisch unverändertem Hochstromschwingkreis 1 mit einer solchen Polarität an die Klemmen des Schalters 6 geschal­ tet wird, daß in seiner Schaltstrecke der Schwingstrom i_s sich von dem gegen Null schwingenden Strom i₆ subtrahiert.

Als zweite Variante zum ersten Ausführungsbeispiel wird das Kondensator-Widerstandsglied 15, 16 durch die gesteuerte Schalt­ strecke 14 dem Hochstromschwingkreis etwa gleichzeitig mit dem Schließen der Schaltstrecke 4 zugeschaltet. Daher fließt, wie in Fig. 3 dargestellt, von Beginn an ein asymmetrischer Strom i + i_g. Während seines Verlaufs öffnen sich die Kontakte der Schalter 5, 6 ausgelöst vom Steuergerät SG3 wieder zu Beginn der großen asymmetrischen Stromschwingung mit etwa 40% Gleichstrom­ anteil.

Kurz vor dem Nullwerden des asymmetrischen Stroms wird der Hochspannungsschwingkreis 7 von dem stromabhängigen Steuerge­ rät SG4 durch Schließen der Schaltstrecke 10 an die Klemmen des Schalters 6 geschaltet. Die Konsequenz aus der nun umgekehrten Polari­ tät des Hochspannungs-Schwingkreises, nämlich die Subtraktion der Ströme im Hilfsschalter 6, läßt sich anhand der Fig. 3 verfolgen: i₆ = i₅ - i_s. Während der Überlagerungszeit fließt der Lichtbogenstrom i₅ durch die Schaltstrecke des Schalters 5, der Prüfling geworden ist, ungestört weiter. Nachdem der Schalter 6 den Strom i₆ unterbrochen hat, fließt im Prüfling nur noch der Schwingstrom: i₅ = i_s.

Dieser letzte Teil des Schwingstroms fließt in der Reihenschal­ tung von Hochstrom- und Hochspannungs-Schwingkreis 1, 7. Die Änderung seiner Amplitude und Frequenz ist jedoch wegen des relativ sehr kleinen Schwingungswiderstands des Hochstrom­ schwingkreises vernachlässigbar klein.

Nach dem Nullwerden des Schwingstroms im Prüfling schwingt bei ausreichender dielektrischer Verfestigung seiner Schalt­ strecke die Spannung u auf die nicht dargestellte stationäre Spannung ein.

In beiden Ausführungsbeispielen sind Amplituden und Halbschwin­ gungsdauer des Schwingstroms i_s mit jeweils etwa einem Drittel der betriebsfrequenten Werte des Kurzschlußstroms zu Gunsten einer guten Erkennbarkeit auch von Einzelheiten der Strom­ überlagerung erheblich größer gewählt worden als es in der Praxis dieses synthetischen Prüfverfahrens die Regel ist. Mit den dort üblichen Schwingstromparametern von etwa einem Zehntel der entsprechenden Parameter des betriebsfrequenten Kurzschluß­ strom verbessert sich die Anpassung der asymmetrischen großen Stromschwingung insbesondere mit Addition des Schwingstroms, Fig. 2, an den natürlichen Verlauf des Kurzschlußstroms im Netz. Dadurch, daß in beiden Ausführungsbeispielen mit dem gleichen Überlagerungs-Schwingstrom gearbeitet worden ist, lassen sich die Hüllkurven der Stromüberlagerung in den beiden synthetischen Prüfschaltungen gut vergleichen: offensichtlich ergibt die syn­ thetische Prüfschaltung mit Reihenschaltung ihrer Komponenten­ kreise in der Spannungsprüfphase einem Stromverlauf, Fig. 3, der sich dem Vorbildverlauf des Netzkurzschlußstroms prinzipiell und deutlich besser anpaßt; diese Feststellung gilt auch für die hier nicht dargestellte Stromüberlagerung bei symmetrischen Ausschaltströmen.

Während der synthetischen Prüfung haben die Steuergeräte SG1 bis SG4 nach einem festgelegten Programm Auslöse-Signale an die angeschlossenen Schaltstrecken 4, 10, 14 und Auslöser der Schal­ ter 5, 6 durchzugeben. Dieses Programm ist in einem den Steuer­ geräten SG vorgeschalteten Programmsteuergerät PSG gespeichert. Es läuft mit dem Start der Prüfung ab. Zu diesem programmier­ ten Ablauf gehört auch die Betätigung der nicht dargestellten verschiedenen Trenn- und Erdungsschalter in der synthetischen Prüfschaltung. Seiner Bedeutung entsprechend ist das Programm­ steuergerät in den Schaltplan der Fig. 1 schematisch mitein­ gezeichnet. Mit seiner Hilfe läßt sich die Prüfung einschließ­ lich der nicht dargestellten Messung der Prüfgrößen, wie Ströme, Spannungen und Schalterfunktionen einschließlich ihrer Auswer­ tung automatisieren und gegebenenfalls zur Gewinnung statisti­ scher Prüfunterlagen wiederholen.

Claims (8)

1. Synthetische Zwei-Schwingkreis-Prüfschaltung mit

• a) einem Hochstromschwingkreis (1) zur Erzeugung großer sinusförmiger, im Bereich der Netzfrequenz schwingen­ der Ströme bei einer relativ niedrigen treibenden Span­ nung, bestehend aus einer aufladbaren Kapazität (2), ei­ ner Induktivität (3), einem relativ sehr kleinem ohmschen Widerstand, einer steuerbaren Schaltstrecke (4) sowie zwei Leistungsschaltern (5, 6), deren einer der zu prü­ fende und deren anderer der Hilfs-Schalter ist;
• b) einem Hochspannungsschwingkreis (7) zur Erzeugung rela­ tiv kleiner zu überlagernder sinusförmiger Ströme bei einer relativ hohen treibenden Spannung und Frequenz, be­ sehend aus einer aufladbaren Kapazität (8), einer Induk­ tivität (9) und einer steuerbaren Schaltstrecke (10) sowie aus dem Schalter (6);
• c) elektrischen Stromkreiselementen zur Beeinflussung der Einschwingspannung nach der Strom­ unterbrechung;
• d) Mittels zur Erzeugung eines Stromes (i_g) und mit einer Schaltvorrichtung (14) für deren Zuschaltung an den Hoch­ stromschwingkreis zwischen dessen Außenklemmen und den Klemmen der darin befindlichen Leistungsschalter;

dadurch gekennzeichnet, daß

• e) die Zuschaltung der Mittel (13) zur Erzeugung des Überlage­ rungsstromes (i_g) durch ein Programmsteuergerät (PSG) zeitlich so erfolgt, daß die steuerbare Zuschaltvorrichtung (14) spätestens in dem Zeitintervall geschlossen wird, das mit dem Schließen der steuerbaren Schaltvorrichtung (4) beginnt und mit der Trennung der Kontakte mindestens eines der Schalter (5, 6) endet, und daß
• f) der zu überlagernde Strom (i_g) in seiner zeitlich veränderlichen Form wenigstens näherungsweise dem Gleichstromglied des unsymmetrischen Kurzschluß­ stromes in einem induktiven Wechselstromkreis gleicht.

2. Synthetische Prüfschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel (13) zur Erzeugung eines Stroms mit gleich­ bleibender Polarität aus der Reihenschaltung einer aufladbaren Kapazität (15), eines ohmschen Wider­ stands (16) und einer Induktivität bestehen.

3. Synthetische Prüfschaltung nach Patentanspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als aufladbare Kapazität (15) ein Elektrolytkonden­ sator verwendet wird.

4. Synthetische Prüfschaltung nach Patentanspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß für die Erzeugung eines Stroms mit gleichbleibender Polarität eine Wechselstrom-Energiequelle mit nachgeschal­ tetem Gleichrichter verwendet wird.

5. Synthetische Prüfschaltung nach einem der Patentansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß dem Ausschaltstrom des Schalters (6), mit dem der Hoch­ spannungsschwingkreis (7) abgeschlossen ist, der Schwingstrom (i_s) so überlagert wird, daß sich in seiner Schalt­ strecke die Ströme addieren und das Strom-Nullwerden im Schalter (6) später erfolgt als im Schalter (5), wodurch der Schalter (6) zum Prüfling und der Schalter (5) zum Hilfsschalter wird.

6. Synthetische Prüfschaltung nach einem der Patentansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß dem Ausschaltstrom des Schalters (6), mit dem der Hoch­ spannungsschwingkreis (7) abgeschlossen ist, der Schwingstrom (i_s) so überlagert wird, daß sich in seiner Schalt­ strecke die Ströme subtrahieren und das Strom-Nullwerden im Schalter (6) früher erfolgt als im Schalter (5), wodurch der Schalter (6) zum Hilfsschalter und der Schalter (5) zum Prüfling wird.

7. Synthetische Prüfschaltung nach einem der Patentansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Steilheit des überlagerten Schwingstroms (i_s) im Bereich des Erreichens der Nullinie etwa gleich der Steil­ heit des asymmetrischen Kurzschlußstroms (i + i_g) im Bereich des Nullwerdens im zu prüfenden Schalter ist.